水库闸门10.16638/jki.1671-7988.2019.08.022
宇，尹辉俊*，官勇健，柳泽田
（广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州545006）
摘要：以Adams/Car建立的整车多体动力学模型为载体，并以在试验场测试得到的轮心加速度、悬架弹簧位移和轮心力作为整车虚拟迭代的实测信号。在FEMFAT.Lab软件中建立实测信号和轮心位移响应信号间的传递函数。通过传递函数反求出轮心位移，并作为输入载荷，仿真分解得到车身与底盘连接点动态载荷，作为后期虚拟疲劳试验的必要条件。 关键词：多体动力学；虚拟迭代；传递函数；载荷谱
中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2019)08-70-04
Virtual iteration technology analysis based on vehicle dynamics model*
Li Pengyu, Yin Huijun*, Guan Yongjian, Liu Zetian
( Department of mechanical and traffic engineering, Guangxi University of Science and Technology,
Guangxi Liuzhou 545006）
Abstract: The vehicle multi-body dynamics model established by Adams/Car, which is used as the carrier, and the wheel center acceleration, suspension spring displacement and wheel center force obtained in the test field are taken as the measured signals of the virtual iteration of the whole vehicle. In FEMFAT. Lab software, The transfer function between the measured signal and the wheel center displacement response signal is established. The wheel center displacement is obtained by the transfer function, and as the input load, the dynamic load of the connection point between the body and the chassis is obtained by simulation decomposition, which is a necessary condition for the later virtual fatigue test. Keywords: multi-body dynamics; virtual iteration; transfer function; dynamic load
CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2019)08-70-04
引言
疲劳耐久性分析是汽车安全的重要组成部分，越来越受到车企的重视。传统的汽车疲劳耐久性分析是实车在试验场上进行的，这种方法虽然准确直接，但用时冗长，耗费过多人力物力，影响研发周期。随着CAE技术的发展和成熟，通过虚拟仿真技术来研究疲劳耐久性问题得到广泛应用[1]。而车身疲劳耐久性分析的关键在于车身与底盘连接点的真实载荷谱，但这些在道路测试中很难直接测得。
一种方法是建立整车多体动力学模型，在虚拟路面中仿真直接提取出车身连接点的载荷谱[2]，该方法用时短，效率高，但准确的虚拟路面的建立难度大不易获得。另一种方法通过六分力传感器测量系统测量车辆行驶过程中轮心轴头处X、Y、Z三个方向的力和力矩，约束车身，然后加载到多体模型上，从而提取出车身连接点处的受力载荷[3]。该方法忽略了车身惯性的影响，对整车模型的要求高，各种参数不够
作者简介：宇（1993-）男，硕士研究生，研究方向：CAD/CAE/ CAM。通讯作者：尹辉俊（1972-）男，教授，硕士，研究方向：车辆关键零部件设计与制造。基金项目：广西高等学校优秀人才资助计划项目（桂教人〔2011〕40号）；广西自然科学基金项目（2013GXNSFAA019319）；广西科技计划项目（桂科攻1348005-12）；广西重点实验室建设资助项目（桂财教〔2013〕51号13-A-01-06）；广西研究生教育创新计划资助项目（YCSW2017202）；广西科技大学硕士研究生创新项目（GKYC201703）。
70
宇 等：基于整车动力学模型的虚拟迭代技术分析
71
准确都会对车身连接点处的载荷有很大的影响。
本研究是通过传感器和六分力传感器测量系统获得实车轮心加速度、悬架弹簧位移和轮心力，在Adams/Car 建立整车模型，通过软件FEMFA T.Lab 采用虚拟迭代法仿真得到轮心垂向位移，并以此作为整车驱动载荷，获得车身连接点处载荷。
1 试验场载荷谱采集及处理
1.1 载荷谱采集
为了确定车身的疲劳耐久性符合企业要求，在试验初期需对试验车进行道路载荷谱提取。在确保试验车状态满足GB/T12534—1990《汽车道路试验方法通则》规定的情况下，在轮心处安装加速度传感器，悬架弹簧处安装位移传感器，并将六分力传感器测量系统安装在轮毂适配器和轮辋适配器之间。让试验车在试验场各种路面上进行测试时间长度120s 并提取载荷谱，分别测得轮心加速度，悬架弹簧相对位移，以及轮心轴头X 、Y 、Z 三个方向的力和力矩。本文仅抽取比利时路面作为研究，如图1为比利时路面下四轮心Z 向加速度载荷谱。
a ）左前轮心Z 向加速度
b ）右前轮心Z 向加速度
c ）左后轮心Z 向加速度
d ）右后轮心Z 向加速度
图1 四轮心Z 向加速度
1.2 载荷谱处理
试验场采集到的信号包括车辆振动本身的有效信号和无效高频噪声信号，对采集到的数据进行重新采样和滤波处理是必要的。根据虚拟迭代软件采样频率要求，将原始信号按256HZ 重新采样，对40HZ 以上的高频信号用低通滤波器滤掉，将处理好的采集信号作为后续虚拟迭代的目标信号[4]。
2 整车多体动力学模型建模
车辆多体动力学模型由前悬架系统、后悬架系统、转向系统、前稳定杆系统、后稳定杆系统、动力系统、车身系统、轮胎系统[5]八大系统组成。建模过程在Adams/car 进行，Ada -ms/car 是一种专业建模仿真软件并且可以简化建模步骤。整车建模过程中必须保证整车质量和参数与试验车在试验场采集载荷谱时相同。为了简化模型，将动力系统、以及对应的人员配重集中于一个质量点上，而悬架的弹簧刚度、减震器的阻力系数、衬套刚度、硬点坐标以及零部件质量等都由相关企业提供。由于测得数据都为轮心数据，并且轮胎系统比较复杂，轮心垂向位移作为驱动载荷，所以不需要建立轮胎系统，整车底盘模型如图2所示。
图2 整车底盘模型
为了提高仿真精度，将车身通过有限元软件离散成柔性体，调整车身与底盘连接点处硬点参数，建立匹配的通讯器，
以及request 命令，最终获得整车多体动力学模型如图3所示。将调试好的整车模型导出为文本格式即.adm 文件，用于之后作为虚拟迭代的载体。
图3 整车多体动力学模型
3 虚拟迭代分析及载荷谱提取
3.1 虚拟迭代方法
虚拟迭代在软件Femfat.lab 中进行，它是一款对大量数据形象化分析处理的软件Femfat-Lab 中有一个虚拟迭代模块
汽车实用技术
72 可以根据外部测量数据和多体仿真模型 (Simpack and MSC Adams)，通过虚拟迭代的方法，最终计算零件内部载荷[6]。
虚拟迭代模块主要由6个部分组成：1 初始化设置调用adm 文件，2输入输出通道信号的设置，3白噪声产生，4生成传递函数，5导入其余的输入通道，6虚拟迭代仿真。 3.2 虚拟迭代原理
通过试验我们很容易获得整车的内力载荷，如轮心加速度、悬架弹簧位移。但是外力载荷却很难测得，如轮心位移。为了准确方便的获得整车模型的外力载荷，引入虚拟迭代技术。而虚拟迭代原理是将整个多体动力学模型看作一个系统，然后用一个假定的白噪声作为激励输入u(s)，根据系统的结构和拓扑关系计算得到一个响应输出y(s)，即可求出整个系统的传递函数F(s)。传递函数表达式：
F(s)= y(s)/u(s) （1） 可以将F(s)看成线性关系，并将传递函数的逆函数F -1(s)由输出反求输入。在整车多体模型中，以轮心垂向位移为输入，输出项设为轮心Z 向加速度，悬架弹簧的垂向位移，输入为四个垂向通道，系统中传递函数也可以用矩阵表示[7]：
式中：主对角线上的元素H11~H44为车辆左前、右前、左后以及右后输入信号与输出信号对应的传递函数关系；H ij 为第j 个轮心垂向输入信号与第i 个轮心响应之间的传递函数，i ，j = 1，2，3，4。
由试验采集到的路谱y m 和逆函数F -1
(s)可求得一组初始输入载荷：
（2）
图4 虚拟迭代流程
将该输入信号u 0作为驱动载荷，作用于多体动力学模型中，计算得到所有输出通道的响应y 0。将y 0与y m 作比较，如果满足条件，则u 0作为最终驱动信号，用于载荷分解求得对应连接点处的载荷谱，如果不满足条件，则可以用修正的
牛顿—拉斐逊算法，固定F -1(s)进行下一次迭代：
（3）
将u 1施加给多体模型中，得到对应y 1与y m 比较，满足条件则u 1作为最后的驱动信号，若不满足，继续迭代，直到y n 与y m 相符，迭代停止，n 次迭代后：
（4）
虚拟迭代流程如图4所示。
3.3 迭代判定及载荷提取
通过前面提到的理论分析以及实际测量相结合的方法建立了系统模型。以经过处理的实测信号如悬架
弹簧的垂向相对位移作为目标信号，运用虚拟迭代方法，将轮心垂向位移作为输入信号在Femfat.Lab 中进行迭代，直到迭代信号与目标信号误差满足要求，则停止迭代过程.而迭代信号与目标信号的比较主要包括时域和相对损伤值。时域主要对比每次迭
代完成后迭代信号与目标信号的变化趋势，以及峰值是否相对吻合，若不吻合，说明迭代不理想继续迭代。若相对吻合，则比较相对损伤值，如果相对损伤值为 1，说明2种载荷对疲劳的影响是相同的[8]，迭代结果如图5所示，可以看出经过10次迭代损伤比在1附近趋于稳定，结束迭代。
图5 相对损伤图
（a ）目标信号与迭代信号对比
（b ）局部放大图
图6 轮心加速度目标信号与迭代信号对比
抽取轮心Z 方向加速度目标信号和迭代信号的时域对比如图6，可以看出幅值相对吻合较好，曲线趋势大致相同。时域图满足要求之后，对比各通道相对损伤值图，如图7所
宇 等：基于整车动力学模型的虚拟迭代技术分析
牙科涡轮机
73
示。可以看到各输出通道，悬架弹簧相对位移4通道（左前1、右前2、左后3、右后4），轮心Z 向加速度4通道（左前5、右前6、左后7、右后8）、轮心Z 向力（左前9、右前10、左后11、右后12）、前
稳定杆扭矩1通道13，可以看出相对损伤值在损伤值1上下徘徊，由于整车多体动力学建模的准确性以及采集载荷谱的误差影响，所以相对损伤值在可接受范围内，综合分析迭代值精度可以接受。
锁时之盒
图7 各通道损伤值
3.4 载荷提取
虚拟迭代结束后，获得轮心垂向位移，作为整车多体动力学模型的驱动载荷. 将驱动载荷加载到整车多体动力学模型中，载荷分解即可得到车身与底盘连接点的载荷谱。利用 Femfat.Lab 或者Adam/car 均可提取出每个连接点的受力谱，作为疲劳分析的输入。此处列举整车前副车架左侧与车身连接点处X 、Y 、Z 受力载荷，如图8所示。
(a)X 向
（b ）Y 向
（c ）Z 向
图8 前副车架与车身连接点载荷谱
4 结论
播放路文中探索了虚拟迭代技术提取车身与底盘连接点处载荷谱的方法，试验场载荷谱采集，创建整车多体动力学模型，通过对比迭代信号与目标信号的时域和相对损伤值，判断虚
新型混凝土搅拌机拟迭代的准确性。不需要固定车身仿真，减少了车身自身惯性对仿真的影响，从而提高了仿真精度，提取了车身对应连接点的载荷，该方法与有限元分析及疲劳分析结合形成一套完整的车身疲劳分析方案，整车开发中具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 赵婷婷，李长波，王军杰，等.基于有限元法的某微型货车车身疲劳
寿命分析[J].汽车工程,2011,33(5):428-432.
[2] 曹萍，王卫英.微型客车车身疲劳寿命有限元分析[J].机械科学与
术,2012,31(4):538-542.
cagaa[3] 宋亚伟，黄元毅.基于多体动力学模型的汽车底盘动态载荷分析[J].
汽车技术,2017(3):12-18.
[4] 杨祥利，沈磊.虚拟迭代方法及其在驾驶室载荷分解中的应用[J].
轻型汽车技术,2015,14(4):14-18.
[5] 毛显源.某SUV 车多体建模与副车架强度分析[D].上海：上海师范
大学, 2013.
[6] 张少辉.基于虚拟迭代的某商用车驾驶室疲劳寿命分析研究[D].
安徽：合肥师范大学,2017.
[7] 汪随风，武振江，杨建森.基于整车动力学模型虚拟迭代仿真的转
向节载荷谱提取[J].重庆理工大学学报,2015,29(11):37-41.
[8] 邵建，董益亮，肖攀.基于多体模型仿真的载荷谱虚拟迭代技术分
析[J].重庆理工大学学报.2010,24(12):84-87.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议